일반인에게는 조금 낯설 수도 있지만, 세기의 천재를 지칭할때, 물리학자들은 제임스 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831~1879)을 빼놓지 않는다. 그는 이 블로그에 있는 맥스웰의 도깨비를 창조해낸 인물이기도 하지만, 전자기학의 수학적 체계를 완성한 시조격으로 불리기도 한다.
결론적으로 이야기하면 그는 전자기와 빛에 관한 이론 통합된 관점을 제공했다.
맥스웰이 활동하던 시기는, 전기와 자기, 그리고 빛은 모두 서로 다른 존재였다. 자석으로 나침반을 만들었고, 특정 상황에서 발생하는 전기에 대해 연구하였고, 따로 광학이 연구되었지만 서로간의 그 상관관계가 있다는 것은 정확히 알지 못했다. 그런 와중에 맥스웰은 아래와 같은 방정식으로 전기와 자기의 성질에 대해 과거 학자들의 내용을 미적분으로된 방정식으로 정리했다. 패러데이가 실험만으로 전자기 유도 현상을 설명한 것과 다르게 이론 체계를 잡은 것이다.
그리고 그 내용은 아래와 같다.
1. 어떤 전하를 둘러싼 닫힌 곡면을 통해 나가는 전기력선 수는 그 전하에 의해 결정된다(전기력, 쿨롱의 법칙, E는 전기장, 전하는 음극이나 양극 단독으로 존재해서 힘을 발휘한다)
2. 임의의 폐곡면을 나가는 자기 선속이 0이다(자기력, N극이나 S극은 독립해서 존재하지 않는다. 자기력은 나가면 다시 돌아온다. B는 자기장)
3. 자속 밀도의 시간에 따른 변화는 전기장을 생성한다(패러데이의 유도 법칙, E와 B의 관계)
4. 시간에 따라 변화하는 전기장과, 전류에 의해 자기장 변화를 나타낸다(from 앙페르의 법칙, 외르스테드)
재미있는 것은 이 법칙들에 의해서 공간 속에서 전기와 자기가 서로를 유도하며 전파되는, 전자기파 파동방정식이 유도된다는 사실이다. 그리고 그 전자기파의 진행 속도는 '광속'과 같다. 이 모든 것을 단순한 방정식으로 정리하고 증명한 것이 맥스웰의 업적이다.
그이전에 인류는 자석과, 전기, 빛이 서로 독립적으로 움직인다고 생각했는데, 맥스웰은 상기 4개의 방정식으로 정리한 후 이를 통해 전자기 파동의 파동방정식을 유도해내고, 그것이 서로 영향을 주는 얽혀있는 현상이라는 것을 입증하고 수학적으로 나타낸것이다. 그리고 이 결과에 의해 전자기파 파동이 존재하고, 그 속도는 광속인 것. 즉 빛이라는 것이 전자기파 현상이라는 것을 입증한 셈이다.
그렇게 인류는 이 알 수 없는 현상들을 하나로 설명해낼 수 있게 되었고, 이는 모든 무선 통신과 전기/자기의 제어에 대한 예측이나 계산을 할 수 있게 된 것이다. 리처드 파인만은 이러한 맥스웰의 업적을 인류 문명의 발견 중에 가장 중요한 것 중의 하나로 꼽았다. 아인슈타인의 중력에 대한 해석과 함께, 인류사의 자연에 대한 통합 해석에 한 획을 그은 사건이라고 볼 수 있다.
리처드 파인만 (1964): "인류의 역사를 장기적으로 보면, 예를 들어 지금으로부터 10,000년 후로 볼 때 19세기의 가장 중요한 사건이 맥스웰의 전기역학의 법칙 발견으로 평가될 것이라는 데는 의심의 여지가 없다. 미국 남북 전쟁은 같은 10년 동안 일어난 맥스웰의 중요한 과학적 사건과 비교할 때 변방의 무의미한 사건으로 변할 것이다.", 인용 : https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A0%84%EA%B8%B0%EC%99%80_%EC%9E%90%EA%B8%B0%EC%97%90_%EA%B4%80%ED%95%9C_%EB%85%BC%EB%AC%B8%EC%A7%91
아래는 관련해서 김갑진 교수의 설명을 담은 youtube영상이다. 그의 업적을 살펴보자.
https://www.youtube.com/watch?v=OTF-oP7io_M&t=710s
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